线阵CCD低噪声测量系统设计

张俊汪涛

（重庆大学物理学院，中国 重庆401331）

0 引言

CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器体积小、重量轻、功耗小、寿命长，同时具有灵敏度高、响应速度快、自扫描和光谱响应宽等优点，被广泛应用于各个领域，包括航空航天、传媒摄像、工业生产等。随着光电子技术的不断发展，测量系统快速采样、存储、处理和传输是系统新的发展方向。由于线阵CCD实时控制较为容易，而且价格便宜，所以广泛应用于非接触的尺寸测量、质量检验、自动化及机器人视觉精确定位等等[1]。

1 系统整体结构

本系统由光源、光学镜头、被测物、线阵CCD、数据采集与传输单元和数据显示单元构成。当光源的光通过光学镜头照射在被测物体上，被测物体的相关信息被线阵CCD记录下来，由后续的数据采集单元将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号进行处理，最后传输显示在上位机上。

本文设计的重点是数据采集与传输单元，具体设计如图1所示。线阵CCD将光强信号转换为模拟电信号输出，再送入模数转换器中转换为12位并行数字信号。用Matlab软件设计一个低通滤波器，并结合FPGA将数字信号进行滤波处理。滤波后的数字信号送入FPGA内嵌的存储器中进行缓存，再通过并口转串口模块将12位并行数据转换成串行数据，通过串口上传至上位机中显示。

图1 数据采集与传输结构图

2 系统硬件结构

2.1 图像采集模块

本系统选用的图像传感器为东芝公司的TCD1209D，这是一款两相的CCD，主要用于传真、图像扫描和OCR(Optical Character Recognition光学字符识别)技术[2]。这款CCD灵敏度较高、暗信号电压较小、动态范围较大，非常适合用于尺寸测量。共有2048个有效像元，像元尺寸为14μm×14μm，相邻两个光敏单元的中心距为14μm。该CCD工作需要6路驱动脉冲，由FPGA产生，包括移位脉冲φ1、φ2，信号输出脉冲φ2B，转移脉冲SH，复位脉冲RS和箝位脉冲CP。

2.2 模数转换模块

CCD输出的信号为模拟信号，在将信号输入到微处理器前，要将信号转换为数字信号。本系统选用的模数转换器为AD公司生产的AD9945，该芯片最高采样频率为40MHz，而本系统CCD信号频率为1MHz，完全能满足设计需要。其信号链主要由相关双采样(Correlated Double Sample)，数控可变增益放大器（Variable Gain Amplifier）和12位A/D转换器组成。

为了降低CCD信号中的复位噪声，模拟信号先经过CDS处理[3]。在复位电平SHP和像元信号电平SHD的上升沿，对模拟信号进行采集，并将得到的两个信号相减，从而降低复位噪声。接着通过一个VGA增益放大器来调节信号的大小，可以通过一个10位的串行数字接口编程来设置增益的大小。最后CCD信号经过12位的AD转换器转换后，输出数字信号，并且延迟了10个像素的时钟。

2.3 FPGA模块

本系统使用的FPGA芯片为Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8，通过设计产生CCD和AD的驱动信号，并结合Matlab软件对数字信号进行低通滤波处理，处理后的信号经过缓存和传输，显示在上位机上。

3 系统软件设计

根据系统的硬件设计，软件程序主要包括三个功能模块：时序功能模块、滤波功能模块和数据传输功能模块。

3.1 时序功能模块

为了使CCD正常工作，必须设计出符合CCD正常工作的时序脉冲。将两相时钟频率φ1、φ2设为1MHz，则RS和CP的频率也为1MHz。AD9945需包含三个方面的时序设计：（1）串行数字接口SDATA、SCK和SL，对内部寄存器进行配置；（2）相关双采样信号SHP、SHD，以及数据像素同步时钟DATACLK；（3）光学暗电平钳制脉冲，减少暗电平噪声。

3.2 滤波功能模块

本系统设计了低通滤波器对数字信号滤波，是结合Matlab和FPGA实现的[4]。系统设计的滤波器为有限脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，使用窗函数设计方法。CCD输出信号频率为1MHz，经AD转换后数字信号频率仍为1MHz，所以我们将低通滤波器的截止频率设为1.2MHz，采样频率设为5MHz。通过Matlab设计了一个32阶的低通滤波器，系数的量化位数为12比特。量化后得到的滤波器系数为：FF8、001、00D、000、FE3、FFB、03B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8，系数呈现出对称性。

通过Matlab软件得到滤波器系数后，利用FPGA对数据进行滤波。本系统使用FIR滤波器直线型结构，相当于一个乘累加运算，且乘累加运算的次数由滤波器阶数决定。同时累加运算由串行结构来实现，即每级延时单元与相应系数的乘积结果进行累加后输出，因此整个滤波器实际上只需要一个乘法器运算单元。由于FIR滤波器系数具有对称性，所以进行对称系数的加法运算也由一个加法器串行实现。

3.3 数据传输功能模块

经过滤波后的数字信号先经过存储器进行缓存，我们设计一个FPGA内嵌的异步FIFO对数据进行缓存处理。由于CCD的信号频率为1MHz，所以写时钟频率设为1MHz。将串口传输速率设为9600bps，则FIFO读时钟频率应大于9600/12Hz，将读时钟频率设为0.8MHz。同时设置空、满标志信号来判断何时将数据写入和读出FIFO。

从FIFO中传输出来的12位并行数据需要转换为串行数据，才能通过串口上传至上位机中。需要在FPGA内部设计一个移位寄存器，并行数据传输至移位寄存器后，在通过数据缓冲寄存器输出。

4 系统测试与分析

搭建实验平台，进行系统测试。将被测物选为双缝，其衍射条纹投射在线阵CCD上，通过系统数据采集与传输，传输至上位机中。我们将未加低通滤波器时采集到的数据保存为txt格式，并用Matlab进行仿真，图2所示为CCD信号滤波前后的频谱图，从图中我们可以看出，原信号中频率成分大于1.2MHz的信号被滤除，仿真证明滤波效果较好。图3中显示了实验中得到的CCD时域信号，通过对比我们可以看出经过滤波后的条纹更加平滑，毛刺也相应减少了。

图2 Matlab仿真CCD信号滤波前后的频谱图

图3 双缝衍射光强分布图

5 结论

本文设计的低噪声测量系统是基于FPGA技术的，由于FPGA具有运算速度快、配置灵活等诸多优点，提高了系统的运算速度和集成度。本文从硬件和软件两方面对CCD噪声进行了处理，提高了系统的测量精度。该测量方法可以推广到具有更高工作频率的CCD测量系统中，例如无接触位移测量和振动测量等领域。

［1］王鑫,陈骥,曹久大,等.线阵CCD高速数据采集与实时处理系统[J].光电子·激光,2008,19(2):174-177.

［2］王庆有.CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,2000:30-45.

［3］王华伟,刘波,曹剑中.CCD信号处理电路设计研究[J].科学技术与工程,2007,7(16):4153-4156.

［4］杜勇.数字滤波器的Matlab与FPGA实现[M].北京:电子工业出版社,2014:101-150.